Периодический закон и периодическая система химических элементов Менделеева

Перечисленные открытия заложили основу для атомно-молекулярной теории строения вещества, которая получила законченный вид в 1860-х годах, когда А.М. Бутлеров (1828-1886) создал теорию химического строения, а Д.И. Менделеев (1834-1907) - свою систему элементов. Последняя не только представляла собой классификацию элементов по объективным критериям, но и дала новый пример предсказательной силы науки: на основании своей системы Менделеев получил возможность предсказывать открытие новых элементов. Так, им заранее были установлены свойства скандия, германия, галия, эмпирически открытых лишь впоследствии.

Периодическая система Менделеева представляет собой развернутую форму его же периодического закона, первое четкое изложение которого было дано Менделеевым в феврале 1869 г. Сущность этого закона в трактовке самого Менделеева заключается в том, что физические и химические свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса. В современном понимании эта трактовка должна быть уточнена: свойства элементов зависят не столько от атомного веса, сколько от заряда ядра и определяемого этим зарядом числа электронов в атоме, которое равно порядковому номеру в системе Менделеева. Но в целом Менделеев был прав, называя свою таблицу естественной системой элементов. Она впервые отразила объективное распространение всех известных тогда элементов соответственно их свойствам, причем среди этих свойств выделена одно первичное (атомный вес, мы бы сейчас сказали - заряд ядра) и многочисленные зависимые от него вторичные.

Уже из планетарной модели атома Резерфорда и из факта нейтральности (нулевого заряда) атома в целом вытекло, что положительный заряд ядра является кратным отрицательного заряда электрона. На основе этого соотношения и была в 1913 г. выдвинута гипотеза, впоследствии оправдавшаяся, что число электронов в атоме равно порядковому номеру соответствующего элемента. После усовершенствования резерфордовской планетарной модели Бором выяснилась причина периодичности в таблице Менделеева. Это также был один из примеров преемственности между классическим и постклассическим состоянием науки. Согласно модели Бора, электроны движутся вокруг ядра лишь по “разрешенным” стационарным орбитам. Элементы с одним, двум и т.д. электронами в наружном слое, наиболее определяющем физические и химические свойства элемента, в целом повторяют свойства элементов с одним, двумя и т.д. электронами в наружном слое, но имеющих притом на один или несколько слоев (разрешенных орбит) электронов меньше.

Особенности постклассической химии

Современная (постклассическая) химия, продолжая оставаться наукой о превращениях и свойствах веществ, проявляющихся при трансформации их структуры на атомно-молекулярном уровне, приобрела в то же время новые особенности по сравнению с классическим периодом. Прежде всего, как сказано, она опирается на квантовую механику и учение о строении атома. Под этим углом зрения переосмысливаются все классические понятия. Например, валентность по-прежнему трактуется как количественная мера способности элемента к образованию химических связей, но в XX в. связи эти трактуются как электростатические силы, причем выяснилось, что упомянутая способность образовывать связи зависит от характера внешней (валентной) оболочки атомов (см.1.3.6). Конечно, для этого необходимы были по меньшей мере открытие электрона и боровская планетарная модель атома.

Еще недавно не имели применения, да почти что и не были известны изотопы - разновидности одного и того же химического элемента, имеющие один номер в периодической таблице, но отличающиеся друг от друга по атомной массе. Порядковый номер (число протонов в ядре) у изотопов одного и того ж элемента одинаков, но имеются добавочные или недостающие нейтроны, так что атомная масса получается неодинаковая. Первые изотопы были получены в процессе радиоактивного распада урана и тория в 1906-1907 гг., что явилось важным компонентов происходившей тогда тотальной перестройки естественнонаучных концепций. Оказалось, что порядковый номер элемента в менделеевской таблице является значительно более сложным показателем, чем полагали ранее, и под ним могут скрываться разновидности этого элемента с неодинаковыми свойствами, хотя и с одним зарядом ядра (конечно, такие формулировки смогли появиться только после принятия планетарной модели атома, каковая и была предложена в 1911 г.Э. Резерфордом, хотя еще и в несовершенной форме по сравнению с раннеквантовой моделью Бора, см.2.1.). Вскоре изотопы были открыты и у стабильных элементов, раньше всего у неона, а в 1934 г.И. Кюри и Ф. Жолио получили изотопы искусственным путем (а именно, отсутствующие в природе радиоактивные изотопы азота ¹²N, кремния ²⁸S; и фосфора ³⁰Р - слева вверху стали писать массовое число изотопа). Затем путем ядерных реакций синтезировали еще много изотопов, в основном радиоактивных.

Эволюционная химия

Широко распространилась за последние годы и представляет уже отчасти переход к биологии концепция эволюционной химии, основанная на введении в химию идеи саморазвития путем восхождения на более высокие уровни сложности и упорядоченности. Эволюция понимается в данном случае как спонтанный - в природе или специально подобранных (чтобы сделать минимальным участие человека) условиях - синтез новых химических соединений, являющихся более сложными по сравнению с исходными материалами. Сюда же примыкает моделирование каталитических систем, к которому мы вернемся в связи с проблемами биологии. Для химического же уровня организации несомненно, что раннему этапу возникновения жизни предшествовали сложные молекулярные процессы, которые можно отнести к категории химической эволюции и без которых жизнь не возникла бы.

На этом этапе в атмосфере Земли взаимодействовали сначала очень простые углеродосодержащие и безуглеродные вещества (вода, углекислый газ, аммиак, сероводород, цианистый водород, фосфорная кислота и т.д.), затем получившиеся из них малые биомолекулы (мономеры: сахара, аминокислоты, пурины, пиримидины, моносахариды и т.п.), затем сложные органические вещества и биополимеры (липиды, полисахариды, белки, нуклеотиды и др.) - и это уже была преджизнь, переход к живому веществу. Механизмы этого процесса перехода во многом неясны и представляют собой одну из тех наиболее увлекательных областей исследования, которые обещают обогатить естествознание новыми и углубленными концепциями. Для них отчасти уже готовы наименования: теория самоорганизации, биогенез, синергетика и т.д. Однако мы еще далеки от редукции реальных эволюционных и биологических процессов к химической основе, если такая редукция вообще возможна.

Редукцию химических концепций и в целом химического уровня организации к физическому можно считать практически состоявшейся, как можно видеть, в частности, на примере валентности, периодического закона Менделеева (см. выше) и многих других концепций и категорий. Редукция биологического уровня к химическому, видимо, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели редукция химического уровня к физическому. Многие применяемые в биологии понятия не имеют аналогии на низших уровнях организации. Таковы понятия органа, стимула, пола, инстинкта и др. Тем не менее во все возрастающей степени в биологии используется концептуальный аппарат физики и химии, а потому концепции современной биологии необходимо рассматривать как в их специфике, так и в контексте физических и химических данных и категорий.